橋式整流電容濾波電路輸出電壓的波形分析

李文靜

（商丘醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，河南商丘 476100）

整流電路的輸出電壓波形脈動(dòng)程度較大，為使輸出電壓趨于平直，必須進(jìn)行濾波。在小功率電路中，常采用電容濾波，即在整流電路輸出端并聯(lián)一個(gè)電容器C，負(fù)載RL再并聯(lián)其后，利用電容器的充、放電作用，使輸出電壓波形變得較為平直。但對(duì)于該電路的輸出電壓波形形成的分析，很多教材和文獻(xiàn)的說(shuō)法不一，本文通過(guò)對(duì)比幾種說(shuō)法，針對(duì)所存疑點(diǎn)進(jìn)行深入分析，提出觀點(diǎn)，消除模糊認(rèn)知。

1 輸出電壓波形分析中的幾種不同觀點(diǎn)

圖1 （a）橋式整流電容濾波電路

圖1 （b）輸出電壓波形

在輸出電壓波形分析的幾種不同觀點(diǎn)中，為分析方便，都忽略了二極管的正向壓u降，=并u設(shè)電容器初始電壓為零，由于電容器C與負(fù)載RL并聯(lián)，即 0c，可見(jiàn)，分析輸出電壓波形，就是對(duì)uc波形形成的分析和描述。

1.1 第一種說(shuō)法

u2的正半周從零開(kāi)始上升時(shí)，二極管D1、D3導(dǎo)通，向負(fù)載供電u的同時(shí)向電容C充電。若忽略二極管的正向壓降，0?t1時(shí)段,c與u2上升一致，即按正弦規(guī)律上升，直到t1時(shí)刻uc、u2均達(dá)到最大值。t1?t2時(shí)段，u2按正弦規(guī)律下降，電容開(kāi)始放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降。在t2時(shí)刻以后，由于u2＜uc，D1、D3反偏而提前截止，電容器通過(guò)負(fù)載電阻繼續(xù)放電，uc按放u電曲線bc段下降，直到u2的負(fù)半周，當(dāng)u2＞uc時(shí)，D2、D4導(dǎo)通，2重新開(kāi)始給電容充電，工作情況與正半周時(shí)相似。在輸入正弦電壓的一個(gè)周期內(nèi)，電容器充電兩次，放電兩次，反復(fù)循環(huán)，使輸出電壓趨于平直。

可見(jiàn)此種觀點(diǎn)，對(duì)t1?t2時(shí)段的D1、D3狀態(tài)沒(méi)有給出描述，只指出電容開(kāi)始放電且電壓按指數(shù)規(guī)律下降。D1、D3是在t2時(shí)刻以后才截止，截止原因是此時(shí)u2＜uc。

1.2 第二種說(shuō)法

觀點(diǎn)表明，u此電路在t1?t2時(shí)段D1、D3導(dǎo)通并對(duì)電容器充電，但對(duì)此時(shí)段c的變化規(guī)律沒(méi)有給出描述。D1、D3在t2時(shí)刻不再導(dǎo)電，在t2?t3時(shí)段uc按指數(shù)規(guī)律下降，直到負(fù)半周，電容u器再次經(jīng)過(guò)充電、放電過(guò)程，輸出與正半周時(shí)相似的uc波形，即0。

1.3 第三種說(shuō)法

觀點(diǎn)表明，t1?t3時(shí)段，電容放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降。D1、D3在t1時(shí)刻就開(kāi)始截止，也即是說(shuō)t1?t2時(shí)段，D1、D3已處于截止?fàn)顟B(tài)。

此觀點(diǎn)認(rèn)為，由于在t1?t2時(shí)段，電容電壓按指數(shù)規(guī)律下降的變化率u與副u邊電壓按正弦規(guī)律變化的變化率基本相同，可認(rèn)為此時(shí)段c按2規(guī)律下降，只有t2時(shí)刻以后uc才按指數(shù)規(guī)律下降。

2 輸出電壓波形分析中存在的疑點(diǎn)及解析

2.1 存在的疑點(diǎn)

對(duì)比以上三種說(shuō)法后，不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)“0?t1時(shí)段,uc按正弦規(guī)律上升，與u2上升一致”以及“t2時(shí)刻以后uc是按指數(shù)規(guī)律下降”的觀點(diǎn)是一致的，但對(duì)于下面三個(gè)問(wèn)題沒(méi)有明確，更沒(méi)有給出深入解析，容易引起大家的困惑。

問(wèn)題一：0?t1時(shí)段,uc與u2上升一致，即按正弦規(guī)律上升,為什么？

問(wèn)題二：t1?t2時(shí)段電容器到底是充電還是放電？判斷充、放電的標(biāo)準(zhǔn)是什么？

問(wèn)題三：t1?t2時(shí)段D到底是導(dǎo)通還是截止？D的狀態(tài)對(duì)電容器充、放電有什么影響？

2.2 具體解析

第一個(gè)問(wèn)題的提出，主要是對(duì)比圖2所示電容充、放電電路而引發(fā)的思考。

圖2 電容器充、放電電路

在該電路中，設(shè)電容器初始電壓為零。電源為穩(wěn)恒直流電源，開(kāi)關(guān)K扳向1時(shí)構(gòu)成充電回路，開(kāi)關(guān)K扳向2時(shí)構(gòu)成放電回路，電容器充電過(guò)程中，它兩端的電壓隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升，即電容器放電過(guò)程中，它兩端的電壓隨時(shí)間按指數(shù)

?t規(guī)律下降，即uc放=UeRC。

而圖1電路中正弦交流電u2先通過(guò)整流輸出了含正弦交流成份的脈動(dòng)直流電，然后對(duì)電容器進(jìn)行充、放電。那么，這種情況下，電容器兩端電壓的變化有什么規(guī)律呢？這需要從電容對(duì)正弦輸入信號(hào)的零狀態(tài)響應(yīng)說(shuō)起。

圖3 （a）整流電路中D導(dǎo)通時(shí)電容充電電路

圖3 （b）整流電路中D截止時(shí)電容放電電路

圖1所示的整流濾波電路在滿足電容的充、放電條件時(shí)，充電電路、放電回路分別是圖3（a）、（b）。為了研究方便，對(duì)于圖3（a）電路，設(shè)u2(t) =U2sinωt(Rint包括副邊繞組的電阻和二極管D的正向電阻)。分析該電路，由KVL、KCL定律以及歐姆定律可得該動(dòng)態(tài)電路的輸入/輸出微分方程[5]為：

（k為任意常數(shù)），在實(shí)際電路中有Rin《tRL及Rint≈0，于是輸出函數(shù)的圖形最終基本與正弦函數(shù)圖像一致，即uc≈U2sinωt。因此，由以上分析看出，0?t1時(shí)段,電容電壓是按正弦規(guī)律上升，uc與u2保持一致。

第一種觀點(diǎn)，沒(méi)有描述t1?t2時(shí)段D的工作狀態(tài)，直接給出電容開(kāi)始放電的時(shí)刻t1及其指數(shù)下降規(guī)律；第二種觀點(diǎn)，確定了t1?t2時(shí)段D的工作狀態(tài)，但沒(méi)有描述此時(shí)段uc的變化規(guī)律；第三種觀點(diǎn)，則認(rèn)為t1?t3時(shí)段，電容放電，只不過(guò)在t1?t2時(shí)段，電容電壓按指數(shù)規(guī)律下降的變化率與副邊電壓按正弦規(guī)律下降的變化率基本相同u，所以，t1?t2期間可認(rèn)為uc按正弦規(guī)律下降，只有t2時(shí)刻以后c才按指數(shù)規(guī)律下降。

通過(guò)分析對(duì)比，可見(jiàn)三種說(shuō)法中關(guān)于t1?tt2時(shí)?段t二極管的工作狀態(tài)及電容放電的起始時(shí)刻存有分歧，那么，12時(shí)段電容器是充電還是放電？D到底是導(dǎo)通還是截止？D的工作狀態(tài)對(duì)電容器充、放電有什么影響？若解決這些疑問(wèn)，就要對(duì)二極管的工作狀態(tài)及電容器放電的起始時(shí)刻做出正確的判斷，找準(zhǔn)判斷方法。

理想情況下，可忽略變壓器副邊電阻及二u極管的正向壓降的影響，設(shè)Rint≈0，這樣，由于電容兩端的電壓c等于變壓器副邊輸入電壓u2，二極管的工作狀態(tài)及電容放電的起始時(shí)刻就不能用二極管兩端的電位高低來(lái)判斷，而應(yīng)u采用二極管兩u端的電位的變化率大小來(lái)判斷[6]，就是通過(guò)比較2的變化率與c的變化率的大小得出結(jié)論，即當(dāng) 二極管正極電位有高于負(fù)極電位的趨勢(shì)，二極管即將導(dǎo)通；當(dāng)時(shí)，二極管正極電位有低于負(fù)極電位的趨勢(shì)，二極管即將截止。因此，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，電路對(duì)電容器充電，uc≈U2sinωt，按正弦規(guī)律下降，反之，電容器對(duì)RL放電，按指數(shù)規(guī)律下降。

3 結(jié)論

在單相u橋=式u整流=濾u波電路中，電容C是直接并聯(lián)在負(fù)載RL兩端的，則cRLo，因此，從以上分析的結(jié)果看，若設(shè)電容器初始電壓為零，忽略二極管的正向壓降，橋式整流電容u濾波電路輸出電壓波形形成應(yīng)做如下描述，即在0?t1時(shí)段,當(dāng)2的正半周從零開(kāi)始u上升時(shí)，二極管D1、D3導(dǎo)通，向負(fù)載供電的同時(shí)向電容C充電t，?ct隨u2按正弦規(guī)律上升u，直到t1時(shí)刻uc、uu2均達(dá)到最大值；1t2時(shí)段，D1、D3導(dǎo)通，c仍然充電且隨2按正弦規(guī)律u下降；在2時(shí)刻以后，D1、D3截u止，電容器通過(guò)負(fù)載電阻u放電，c按放電曲u線bc段下降，直到2的負(fù)半周，當(dāng)u2＞c時(shí)，D2、D4導(dǎo)通，2重新開(kāi)始給電容充電，工作情況與正半周時(shí)相似。在輸入正弦電壓的一個(gè)周期內(nèi)，電容器充電兩次，放電兩次，反復(fù)循環(huán)，使輸出電壓波形趨于平直。

[1]陳武凡主編.影像電子學(xué)基礎(chǔ)[M].人民衛(wèi)生出版社,2008.

[2]朱小芳主編.影像電子學(xué)基礎(chǔ)[M].人民衛(wèi)生出版社,2009.

[3]童詩(shī)白主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社,1988.

[4]華成英,電容濾波電路及穩(wěn)壓管濾波電路[EB/OL].[2010.6]北京:中央廣播電視大學(xué)

[5]劉暢.動(dòng)態(tài)電路對(duì)正弦輸入的零狀態(tài)響應(yīng) [J].硅谷,2012(7)

[6]麻幼學(xué).全波整流電容濾波電路輸出電壓波形與電壓平均值公式的討論[J].肇慶學(xué)院學(xué)報(bào),2004,25(2)